低噪聲放大器在電磁環(huán)境測試工程中的應用

低噪聲放大器（LNA）廣泛應用于微波通信、微波測量、雷達等接收系統(tǒng)，是接收機電路中的第一個有源電路，輸入端接RF濾波器，輸出端接鏡像抑制濾波器或直接連接混頻器，其主要功能是將來自天線的微伏級電壓信號進行放大。低噪聲放大器在電磁環(huán)境測試工程中有很大的應用價值。

1 電磁環(huán)境測試系統(tǒng)組成及靈敏度要求

電磁環(huán)境測試是確保各類無線電業(yè)務正常工作必不可少的環(huán)節(jié)，是有效、合理、經濟地使用有限無線電頻譜資源的技術措施，也是維護空中電波秩序、兼容各類無線電業(yè)務的保證。

電磁環(huán)境測試系統(tǒng)一般由天線、饋線、頻譜分析儀、打印機、電源以及GPS、羅盤等組成。測試系統(tǒng)靈敏度是否滿足測試要求，是電磁環(huán)境測試首要考慮的問題。電磁環(huán)境測試要求測試系統(tǒng)噪聲電平（反映在頻譜儀上即底噪電平）比擬上系統(tǒng)的允許干擾電平低10dB。測試靈敏度要求較高的測試任務，通常需要在測試系統(tǒng)中加入低噪聲放大器，放大天線端信號，提升測試系統(tǒng)靈敏度。但在實際測試中，放大器同時會產生許多假信號，對正常信號的捕捉以及測試結果分析造成不利影響。針對這一問題，本文將結合放大器的各項指標對假信號產生的原因及消除辦法進行分析探討。

2 低噪聲放大器主要指標介紹

低噪聲放大器主要指標有噪聲系數、噪聲溫度、動態(tài)范圍、增益、增益平坦度、工作頻帶、線性度等。

噪聲系數與噪聲溫度是表征放大器噪聲的指標。噪聲系數定義為放大器輸入、輸出端的信噪比之比。它的物理意義是：信號通過放大器之后，由于放大器產生噪聲，使信噪比變壞，信噪比下降的倍數就是噪聲系數。放大器的噪聲系數Nf與諸多因素有關，如固態(tài)器件自身的噪聲（包括熱噪聲、閃爍噪聲及溝道噪聲）、電路中的損耗、外加偏壓等。隨著晶體管工藝技術的進步，低噪聲放大器的噪聲系數越來越小，用噪聲系數表征方法很不方便，因此改用噪聲溫度的表示方法。噪聲溫度Tc與噪聲系數Nf的關系為Tc=To(Nf-1)。

動態(tài)范圍是指低噪聲放大器輸入信號允許的最小功率和最大功率的范圍。放大器動態(tài)范圍上限受非線性指標的限制，基本取決于末級放大器的功率容量，下限基本取決于放大器的噪聲系數。

放大器的增益是指通過放大器放大后的信號功率與輸入放大器功率的比值。物理含義是LNA對信號的放大倍數。

增益平坦度是指工作頻帶內功率增益的起伏，通常用最高增益與最低增益之差來表示。

工作頻帶指放大器工作的fmin-fmax范圍，它不僅指功率增益滿足平坦度要求的頻率范圍，而且要求全頻帶內噪聲滿足要求，并給出各頻率點的噪聲系數。低噪聲放大器的噪聲系數是其主要指標，而在寬頻帶情況下難以獲得很低的噪聲系數，所以低噪聲放大器的工作頻帶不太寬，一般為20％左右。

和所有器件一樣，放大器也有線性動態(tài)范圍。在此動態(tài)范圍內，放大器的輸出功率隨輸入功率線性增加，稱為線性放大器，輸入輸出功率之比即為放大器功率增益。隨著輸入功率的繼續(xù)增大，放大器進入非線性區(qū)，其輸出功率不再隨輸入功率的增加而線性增加。通常把增益下降到比線性增益低1 dB時的輸出功率值定義為輸出功率的1 dB壓縮點，用P-1 dB表示（見圖1）。

圖1 輸出功率示意圖

圖1中，O2為1dB壓縮點輸出功率，O3為飽和點功率。當輸入功率大于G2后，放大器逐漸進入飽和狀態(tài)，失去放大作用。

3 低噪聲放大器互調干擾產生原因及分析

在放大器各項指標中，噪聲系數（噪聲溫度）和線性度指標對電磁環(huán)境測試系統(tǒng)影響最大。低噪聲放大器是接收天線以下第一個進行信號處理的器件，甚至可以認為LNA的噪聲系數決定了整個測試系統(tǒng)的噪聲系數。盡管低噪聲放大器處于接收系統(tǒng)的前級，基本上工作于弱信號狀態(tài)，但高增益情況仍可能使放大器末級進入非線性區(qū)，從而使信號各頻譜分量間產生交叉組合頻率，形成互調干擾。例如，非線性器件的輸入u(t)與輸出y(t)的關系是y(t)=u(t)+u2(t)，其中t是時間，當輸入信號是包含頻率f1、f2的信號u(t)=cos2pf1t+cos2pf2t時，輸出y(t)中不僅包含輸入信號f1、f2,而且還會出現(xiàn)2f1、2f2、f1 f2等新的頻率成分,這些新的頻率稱為互調。

對于理想的放大器，輸出信號應該僅與當前輸入放大器信息有關，而且放大器的幅度增益和相位偏移不隨輸入信號和外部環(huán)境變化。實際的放大器通常使用半導體材料制成，不可避免地具有一定的非線性特征。同時，電磁環(huán)境測試使用的低噪聲放大器，其增益一般在30 dB以上，由于低噪聲器件的使用，其輸出P-1 dB壓縮點不超過＋10 dBm。在放大器P-1 dB壓縮點附近，其非線性已經非常嚴重，三階互調一般在-10 dBc～-15 dBc。即使將輸出信號功率降低10 dB，其輸出P-1 dB壓縮點在0 dBm，即輸入信號功率在－30dBm左右時，按照輸出降低1 dB互調大約改善2 dB的規(guī)律，此時的三階互調也達到-30 dBc～-35 dBc。這就造成在測試頻譜圖中有很多互調信號存在（如圖2、圖3所示）。

圖2 低噪聲放大器引起的互調信號頻譜圖

圖3 低噪聲放大器引起的互調信號頻譜圖

由于目前城市環(huán)境中移動通信基站和各種發(fā)射機密布，通常使用的寬帶低噪聲放大器在這種電磁環(huán)境中的輸入信號總功率往往可以達到-30 dBm以上，這樣的輸入信號強度將使低噪聲放大器的輸出級進入嚴重的非線性工作區(qū)。如果低噪聲放大器的增益為40 dB，這個極限值還將降低10 dB左右，即輸入信號功率為-40 dBm左右，將使LNA進入非線性工作區(qū)。因此，在電磁環(huán)境測試時選擇低噪聲放大器并不是其增益越高越好，只要測試系統(tǒng)靈敏度滿足要求，即便選擇增益較低的放大器，也可以有效減小互調信號對測試的影響。

4 消除低噪聲放大器互調干擾的辦法

對于測試系統(tǒng)靈敏度要求較高的測試任務，在高增益放大器前端接入一個相應頻率的帶通濾波器，可以有效降低放大器的測試帶外功率，使放大器遠離非線性區(qū)，由非線性帶來的互調也隨之大幅降低甚至消失，使得帶內測試的信號更加真實（如圖4、圖5所示）。

(圖4 不加濾波器的系統(tǒng)采集的851MHz～866MHz頻譜圖)

圖4是加放大器的測試系統(tǒng)采集的851 MHz～866 MHz頻譜圖，圖中本底噪聲起伏很大，且有很多互調產物。從圖中很難分辨出實際存在的信號和放大器產生的假信號。
　

　　(圖5 加帶通濾波器的低噪聲放大器測試效果圖)

圖5是圖4在同等測試條件下在放大器前端加上濾波器采集的851 MHz～866 MHz頻譜圖。圖中頻譜信號清楚明了，說明濾波器有效地消除了放大器產生的假信號。

目前適合在低噪聲放大器前使用的濾波器有聲表面濾波器、LC濾波器和腔體濾波器等，其特性各不相同。聲表面濾波器的帶外抑制好、體積小、重量輕，但帶內插入損耗略大，一般在3 dB以上，并且頻率種類不多，帶寬也不大，一般常用于移動通信頻段。

LC濾波器可以任意定制頻段，其插入損耗要優(yōu)于聲表面濾波器，一般在3 dB以下，但其溫度穩(wěn)定性稍差，并且受器件分布參數影響其頻率上限往往不超過2 GHz，Q值也遠遠低于其他兩種濾波器，直接影響到其帶外抑制指標。

腔體濾波器具有很高的Q值，帶外抑制也很好，插入損耗是這幾種濾波器中最小的，一般不會超過1.5 dB，并且可以工作在很高的頻率上，但其重量和體積要遠遠大于其他幾種濾波器。

5 結論

在進行電磁環(huán)境測試時，對于測試系統(tǒng)靈敏度有較高要求的測試任務，通常需要在測試系統(tǒng)中加入低噪聲放大器，放大天線端信號，提升測試系統(tǒng)靈敏度。在選擇低噪聲放大器時并不是其增益越高越好，只要測試系統(tǒng)靈敏度滿足要求，選擇增益較低的放大器也可以有效減小互調信號對測試的影響。

當測試位置電磁環(huán)境復雜，附近有大功率基站或進行公網基站測試時，在使用低噪聲放大器時，應在其前端加相應頻段的濾波器，降低放大器的測試帶外功率，使放大器遠離非線性區(qū)，以達到良好的測試效果。